研究背景

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研究⽬的

地中熱ヒートポンプ（Ground Source Heat Pump）

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先⾏実験

現在，再⽣可能エネルギーの⼀つである地中熱を利⽤したヒートポンプが注⽬されている．

並列型地中熱交換器を⽤いた直接膨張⽅式地中熱ヒートポンプの性能試験を⾏った．

----地中熱ヒートポンプ導⼊に向けた⼭梨県の取り組み----平成28年3⽉に策定された⼭梨エネルギービジョンには，クリーンエネルギーを活⽤した省エネルギーの取り組みとして地中熱利⽤が明記され，2030年における地中熱ヒートポンプの⽬標導⼊台数は900台とされている．しかしながら，⾼いイニシャルコストが普及の妨げとなっている．

間接⽅式（従来型）

直接膨張⽅式

・並列に設置したボアホール内に20m×2本の地中熱交換器を使⽤した．
・7時間の間⽋運転におけるCOPは4〜6程度となり，優れた省エネルギー性能を得た．
掘削⻑さ短縮によるイニシャ
ルコストの削減が可能 本研究では，直接膨張⽅式地中熱ヒートポンプの利活⽤を検討し，普及拡⼤に貢献する．

地中熱交換器研究⽬的

2

農業⽤ビニールハウスに直接膨張式地中熱ヒートポンプ（熱交換器︓30m×3本）を導⼊し，⻑期にわたる実証試験を⾏うことで，省エネ性能と⼀次エネルギー削減効果を検討する．

実験装置

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地中温度と消費電⼒の関係（先⾏実験）

ヒートポンプ
冷媒:

R410A 5.5 kg(2台 計11 kg)
冷房能⼒ : 12.5 kW ×２台
暖房能⼒ : 14.0 kW ×２台
55 %増加農業利⽤の⼤容量空調機では…
さらに⾼負荷かつ⻑時間の運転が懸念されるため，注⽔による熱量補助システムを設けた．

室内機
空調⾯積

 冷房運転時の冷媒循環⽅向
3本側 ➔ 1本側
 暖房運転時の冷媒循環⽅向
1本側 ➔ 3本側
注⽔ポンプ

4:

ボアホール
216 m2

ボアホール⻑さ :30 m × 3 計90m (2組)
熱交換器︓
材質 ︓銅管3本側︓3/8 inch
1本側︓5/8 inch

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実験条件

熱量計測

冷房運転

暖房運転

冷媒

R410A ：5.5 kg

空調面積216 𝐦𝟐

Anemometer and thermometer
Hygrometer2018年夏季
計43日間

2018年冬季
計70日間

12.5 kW

14.0 kW

能力平均値

15.3〜17.9kW

取得熱量 [kW]3.7〜4.4kW

消費電⼒ [kW]4.1

COP [-]

 h    A W

 空気熱HP
定格効率:3.24.0

 出⼒や消費電⼒に⼤きな変化はなく、運転時間を通してCOPは安定していた．

∆h ： 室内機出⼝・⼊⼝のエンタルピー差 [kJ/kg]
𝜌 ： 空気密度 [㎏/m
A : 空調機出⼝ダクト⾯積 [m２]v : ⾵速 [m/s]
W : 消費電⼒ [kW]運転中は常時⼗分な放熱を⾏うことができ，地中との熱交換量に不⾜はなかった．
 定格出⼒12.5kWに対し，負荷率129%(平均出⼒値16.1kW)の⾼負荷運転であった．
改造前の空気熱ヒートポンプの定格効率と⽐較しても，⾼効率である．
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ボアホール内温度(冷房運転)
26.4[ºC]

26.9[ºC]

24.3[ºC]

24.9[ºC]

過負荷な環境でも⾼出⼒かつ⾼効率な運転が可能である．

ボアホール内温度(冷房運転)

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ボアホール内温度変化(冷房運転)

⽔温計測地点P

26.7[ºC]P

22.9[ºC]
10 m

24.3[ºC]
20.3[ºC]

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ボアホール内温度変化(冷房運転)

⽔温計測地点

10 m

16.1[ºC]

他2地点に⽐べて温度上昇量は極めて⼩さい

17.0[ºC]
16.9[ºC]

20 m

20 m

16.1[ºC]

凝縮
過程の推移

2地点で温度上昇量の逆転

15.9[ºC]

13.7[ºC]（負荷率:129 %）3.8〜4.4

評価⽅法

16.4[ºC]

16.1

 空気熱HP
定格出⼒:12.5kW

Operating

COP 

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冷房運転における性能値

実験条件

実施期間

性能評価 (冷房運転)

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30 m

Water
injection

Water
injection

30 m※()内は前比
運転開始時

1回⽬注⽔開始時

1回⽬注⽔終了時

2回⽬注⽔開始時

運転終了時

⽔温10m[℃]16.4

26.4(+10.0)

24.9(-1.5)

26.9(+2.0)

26.7(-0.2)

⽔温20m[℃]16.1

24.3(+8.2)

20.3(-4.0)

24.3(+4.0)

22.9(-1.4)

⽔温30m[℃]13.7

16.1(+2.4)

15.9(-0.2)

17.0(+1.1)

16.9(-0.1)

 深層3０m地点では凝縮過程は終了していると考えられるため，短時間の運転では，注⽔の有無に関わらず⾼効率な熱交換を維持できると考えられる．
 しかし，孔内温度の上昇により凝縮過程が浅層10mから中層20mの地点に推移していることが考えられるため，さらに⻑時間の運転では性能が低下する可能性もある．
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⼀次エネルギー削減効果(冷房運転)

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⼀次エネルギー削減効果(冷房運転)

年間⼀次エネルギー消費量及び⼆酸化炭素排出量(冷房運転)

年間⼀次エネルギー消費量及び⼆酸化炭素排出量(冷房運転)

削減量 : 170 [L]
削減率 : 20.2%

削減量 : 170 [L]
削減率 : 20.2%

削減量 : 253 [kg-CO2]
削減率 : 20.2%

削減量 : 661 [kWh]削減率 : 20.2%

削減量 : 661 [kWh]削減率 : 20.2%

消費電⼒量[kWh]⽐較システム(空気熱ヒートポンプ)
直接膨張⽅式
地中熱ヒートポンプ
削減量

原油消費量[L]

3276

削減率

削減量 : 253 [kg-CO2]
削減率 : 20.2%

⼆酸化炭素排出量 [kg-CO2]
842

2615

672

999

661

170

253

20.2%

20.2%

20.2%

性能評価 (暖房運転)

 ⽐較対象とした空気熱ヒートポンプに対し，⼀次エネルギー消費量及び⼆酸化炭素排出量の削減率は20.2%となった．

1252

直接膨張⽅式地中熱ヒートポンプは⻑期冷房運転においても，環境負荷が少なく，省エネ性に優れたシステムといえる．
1110National university corporation
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暖房運転における性能値

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ボアホール内温度 (暖房運転)
ボアホール内温度変化(暖房運転︓注⽔有)

⽔温計測地点P

平均値

15.2〜16.9kW

取得熱量 [kW]4.6〜5.2kW

 空気熱HP
定格出⼒:14.0kW

16.1（負荷率:115 %）

消費電⼒ [kW]3.2〜3.5

10 m

4.8
20 m

COP [-]
Operating 空気熱HP
定格効率:3.5

3.4

Waterinjection

 消費電⼒・出⼒ともに⼤きな変動はなく，運転時間を通してCOPは安定していた．

運転開始時

先⾏実験では，ボアホール内温度の低下により圧縮機の負荷が増⼤し，省エネ性能が低下した．
本実験は注⽔による熱量補助により，常に地中側で⼗分な採熱を⾏うことができたため，熱枯れによる圧縮機の負荷増⼤及び採熱量不⾜はなかったと考えられる．
1230 m

運転終了時

⽔温10m[℃]

10.2

7.8 (-2.4)

⽔温20m[℃]

11.2

10.4 (-0.8)

⽔温30m[℃]

11.7

11.6 (-0.1)※()内は前比13National university corporation
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ボアホール内温度 (暖房運転)
ボアホール内温度変化(暖房運転︓注⽔有)National university corporation
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ボアホール内温度 (暖房運転)
ボアホール内温度変化(暖房運転:注⽔無)

⽔温計測地点P

⽔温計測地点P

12.7[ºC]
6.9[ºC]

5.3[ºC]10 m

10 m
4.7[ºC]12.3[ºC]

2.6[ºC]
20 m

他2地点に⽐べ最も温度低下が激しい
Water
injection

20 m

10.9[ºC]
3.5[ºC]30 m

2.92.6[ºC][ºC]

1.1[ºC]

2.1[ºC]

30 m※()内は前比 深層3０m及び中層20m地点の温度低下が⼩さいことに対し，浅層10m地点の温度低下が最も激しい．運転時間を通して10m地点で最も熱交換が⾏われていたと考えらえる．
 しかし，20m地点では注⽔した井⼾⽔の温度の影響を受けやすいため，3本分岐側での蒸発過程の有無を特定することが難しい．
14

ボアホール内温度 (暖房運転)

AM1:00(7時間後)

AM6:00(12時間後)

運転終了時

⽔温
10m[℃]

10.9

2.6 (-8.3)

2.1 (-0.5)

1.1 (-1.0)

⽔温20m[℃]

12.3

3.5 (-8.8)

2.9 (-0.6)

2.6 (-0.3)

⽔温30m[℃]

12.7

6.9 (-5.8)

5.3 (-1.6)

4.7 (-0.6)
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⼀次エネルギー削減効果(暖房運転)

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ボアホール内温度変化(暖房運転:注⽔無)

運転開始時

年間⼀次エネルギー消費量及び⼆酸化炭素排出量(暖房運転)

⽔温計測地点
P

10 m

20 m

削減量 : 1586 [L]
削減率 : 43.6%

蒸発
過程の推
移

削減量 : 6359 [kg-CO2]
削減率 : 66.0%

30 m

 ボアホール内の⽔温変化から，運転開始から7時間程度は，中層20m及び浅層10m地点にかけて蒸発過程が⾏われていたと考えられる．

⽐較システム(A重油ボイラー)
直接膨張⽅式
地中熱ヒートポンプ
削減量

 7時間以降は，10m及び20m地点の温度低下は極めて⼩さくなったため，蒸発過程が10mよりも浅層に上昇もしくは，地上までに冷媒が蒸発できないていない可能性も考えられる．

削減率

注⽔の熱量補助が無い場合，冷媒が30m以内に冷媒が蒸発しきれない可能性がある．
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原油消費量[L]3635

⼆酸化炭素排出量[kg-CO2]
9635

2049

3276

1586

6359

43.6%

66.0%
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⼀次エネルギー削減効果(暖房運転)

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注⽔システム検討
注⽔ポンプ

年間⼀次エネルギー消費量及び⼆酸化炭素排出量(暖房運転)

地中温度の⼤きな変化に対応し、採熱量を補うシステムとして採⽤

冷房運転:
圧縮機吐出⼝の冷媒圧⼒が2.1MPaを超えると注⽔開始
暖房運転:
圧縮機吸込⼝の冷媒圧⼒が0.72MPaを下回ると注⽔開始
 排出する溢⽔は1℃の上昇で約1.26kWの熱量補助となり，定常状態時には全体出⼒の約4％に相当する．

削減量 : 1586 [L]
削減率 : 43.6%

SCOP =

出力値
注水システム動力 + ヒートポンプ動力ボアホール※表中の値は全試験期間中の平均値

冷房
139.2

236.9

消費電⼒量 [kWh] /day

34.4 [kWh] /day

71.5 [kWh] /day

ポンプ動⼒ [kWh] /day

出⼒値 [kWh]/day

削減量 : 6359 [kg-CO2]
削減率 : 66.0%

 ⽐較対象としたA重油ボイラーに対し，⼀次エネルギー消費量の削減率は43.6%，⼆酸化炭素排出量の削減率は66.0%となった．
従来から寒冷地で使⽤されている燃焼機器と⽐較し，直接膨張⽅式地中熱ヒートポンプは優れた省エネ性及び環境負荷緩和効果がある．
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P

暖房

2.0 [kWh] /day

5.7 [kWh] /day

COP [-]

4.05

3.31

SCOP [-]

3.82

3.07

注⽔ポンプ動⼒による性能低下率 [%]

5.6%

7.3%

溢⽔として排出

温度差1℃で1.26kWの補助井⼾⽔

注⼊⽔3 L/min ⻑時間の運転では，注⽔による熱量補助でシステム全体の省エネ性能は向上する．
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